Zytokine, Chemokine und „Homing“ - Ruhr

Grundlagen der Immunologie
5. Semester - Dienstags 11.15 Uhr
Ruhr-Universität Bochum, HMA 20
Zytokine, Chemokine und
„Homing“
Albrecht Bufe
www.ruhr-uni-bochum/homeexpneu
Themenkomplexe
1) Cytokine
•
Gruppeneinteilung
•
Funktionsbeispiele
2) Chemokine/Homing
•
Gruppeneinteilung
•
Effektor-Funktionen
1
Themenkomplexe
1) Cytokine
•
Gruppeneinteilung
•
Funktionsbeispiele
•
angeborene und
•
erworbene Immunantworten
2) Chemokine/Homing
•
Gruppeneinteilung
•
Effektor-Funktionen
2
Übersicht – Cytokine I
MW ~ 25 kDa
• freigesetzt von unterschiedlichen Zellen
• Zellen stellen viele unterschiedliche Zytokine her
• binden an spezifische Rezeptoren
Wirkung
•
•
•
•
autokrin (Wirkung auf die sezernierende Zelle)
parakrin (Wirkung auf benachbarte Zellen)
endokrin (Wirkung auf weit entfernte Zellen)
pleiotrop (Unterschiedliche Wirkung an unterschiedlichen
Zielzellen)
Übersicht – Cytokine II
Vier strukturelle Hauptfamilien
•
•
•
•
•
Hämatopoetin-Familie
TNF-Familie
Interferone
Chemokin-Familie
Nicht zugeordnete Cytokine
Cytokine vermitteln Signale
• Angeborene Immunantwort (innate immunity)
• Erworbene Immunantwort (aquired immunity)
• Aktivieren Entzündungszellen
• Bewirken Aktivierung, Differenzierung und Ausreifung von
Lymphozyten
• Aktivieren Hämatopoese
• Induzieren Apoptose
3
Themenkomplexe
1) Cytokine
•
Gruppeneinteilung
•
Funktionsbeispiele
•
angeborene
•
erworbene Immunantworten
2) Chemokine/Homing
•
Gruppeneinteilung
•
Effektor-Funktionen
Cytokine: angeborenes Immunsystem I
Aktivierte Makrophagen setzen als Reaktion auf Bakterienbestandteile verschiedenste Cytokine frei, u.a. IL-1, IL-6 und TNF-a
IL-1/IL-6/TNF-a
Leber
Proteine der
akuten Phase
(C-reaktives
Protein,
mannan-bindendes Lektin)
Aktivierung
von
Komplement
Opsonisierung
Knochenmark
Endothel
Hypothalamus
Fett, Muskeln
dendritische
Zellen
Mobilisierung
von Neutrophilen
Erhöhung der
KörperTemperatur
Mobilisierung
von Proteinen
und Energie
zur Erhöhung
der KörperTemperatur
TNF-a
stimuliert
Wanderung
zu Lymphknoten und
Reifung
Phagocytose
Verminderte virale und bakterielle
Replikation, schnellere
Antigenverarbeitung, verstärkte
spez. Immunreaktion
Einleitung der
adaptiven
Immunantwort
4
Cytokine: angeborenes Immunsystem II
Akute Phase-Proteine:
Bakterien (PAMPS) aktivieren
Makrophagen, die IL-6 freisetzen. IL-6
bewirkt in Hepatocyten die Synthese
von Akut-Phase-Proteinen.
C-reaktives Protein bindet an Phosphocholin auf
Bakterienwänden und opsoniert die Bakterien;
gleichzeitig Komplementaktivierung möglich.
Mannose-bindende Lectine binden an Mannosereste
auf Bakterien und opsonieren die Bakterien;
gleichzeitig Komplementaktivierung möglich.
Cytokine: angeborenes Immunsystem II
Akute Phase-Proteine:
Bakterien (PAMPS) aktivieren
Makrophagen, die IL-6 freisetzen. IL-6
bewirkt in Hepatocyten die Synthese
von Akut-Phase-Proteinen.
C-reaktives Protein bindet an Phosphocholin auf
Bakterienwänden und opsoniert die Bakterien;
gleichzeitig Komplementaktivierung möglich.
Mannose-bindende Lectine binden an Mannosereste
auf Bakterien und opsonieren die Bakterien;
gleichzeitig Komplementaktivierung möglich.
5
Cytokine: angeborenes Immunsystem I
Aktivierte Makrophagen setzen als Reaktion auf Bakterienbestandteile verschiedenste Cytokine frei, u.a. IL-1, IL-6 und TNF-a
IL-1/IL-6/TNF-a
Leber
Proteine der
akuten Phase
(C-reaktives
Protein,
mannan-bindendes Lektin)
Aktivierung
von
Komplement
Opsonisierung
Knochenmark
Endothel
Hypothalamus
Fett, Muskeln
dendritische
Zellen
Mobilisierung
von Neutrophilen
Erhöhung der
Körpertemperatur
Mobilisierung
von Proteinen
und Energie
zur Erhöhung
der Körpertemperatur
TNF-a
stimuliert
Wanderung
zu Lymphknoten und
Reifung
Phagocytose
Verminderte virale und bakterielle
Replikation, schnellere
Antigenverarbeitung, verstärkte
spez. Immunreaktion
Einleitung der
adaptiven
Immunantwort
Cytokine: angeborenes Immunsystem I
Aktivierte Makrophagen setzen als Reaktion auf Bakterienbestandteile verschiedenste Cytokine frei, u.a. IL-1, IL-6 und TNF-a
IL-1/IL-6/TNF-a
Leber
Proteine der
akuten Phase
(C-reaktives
Protein,
mannan-bindendes Lektin)
Aktivierung
von
Komplement
Opsonisierung
Knochenmark
Endothel
Hypothalamus
Fett, Muskeln
dendritische
Zellen
Mobilisierung
von Neutrophilen
Erhöhung der
Körpertemperatur
Mobilisierung
von Proteinen
und Energie
zur Erhöhung
der Körpertemperatur
TNF-a
stimuliert
Wanderung
zu Lymphknoten und
Reifung
Phagocytose
Verminderte virale und bakterielle
Replikation, schnellere
Antigenverarbeitung, verstärkte
spez. Immunreaktion
Einleitung der
adaptiven
Immunantwort
6
Cytokine: IL-6 und IL-1
Endogene Pyrogene: IL-1 und IL-6 (Interleukine 1 und 6:
körpereigene, Fieber-auslösende Substanzen)
• Krankheitserreger wachsen besser bei etwas niedrigeren
Temperaturen
• Die adaptive Immunantwort arbeitet besser bei höheren
Temperaturen
Cytokine: angeborenes Immunsystem I
Aktivierte Makrophagen setzen als Reaktion auf Bakterienbestandteile verschiedenste Cytokine frei, u.a. IL-1, IL-6 und TNF-a
IL-1/IL-6/TNF-a
Leber
Proteine der
akuten Phase
(C-reaktives
Protein,
mannan-bindendes Lektin)
Aktivierung
von
Komplement
Opsonisierung
Knochenmark
Endothel
Hypothalamus
Fett, Muskeln
dendritische
Zellen
Mobilisierung
von Neutrophilen
Erhöhung der
Körpertemperatur
Mobilisierung
von Proteinen
und Energie
zur Erhöhung
der Körpertemperatur
TNF-a
stimuliert
Wanderung
zu Lymphknoten und
Reifung
Phagocytose
Verminderte virale und bakterielle
Replikation, schnellere
Antigenverarbeitung, verstärkte
spez. Immunreaktion
Einleitung der
adaptiven
Immunantwort
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Cytokine: Interferone I
Interferone: antiviral wirksame Cytokine („interferieren“ mit der
Virusreplikation)
IFN-a (mehrere Subtypen, Leukocyten) und IFN-
(Fibroblasten) werden von Zellen bei Virusinfektion gebildet
Auslöser: dsRNA, IFN- a, IFN- 
Aktivierung von: Oligoadenylatsynthetase (Aktivierung einer
Endoribonuclease  Abbau viraler RNA)
Inhibition der Proteinbiosynthese (P1-Kinase)
Steigerung der MHC I Expression (Antigenpräsentation)
Aktivierung von NK-Zellen
IFN a ISOFORMEN
Virus
IFNA-R1
Jak1
Tyk2
Stat1-> Stat1+P
ds-RNA
IRF-7
IFNA-R2
Zytoplasma
Stat2 -> Stat2+P
Stat1/Stat2/p48=ISGF3
IRF-3->IRF-3+P
Inhibition der
Proteinsynthese
NFkappaB/IRF-3/
IRF-7/ATF-2/c-Jun
IRF-3 Dimer/CBP/p300
Abbau der
mRNA u. rRNA
2`5`Oligo Adenylat
Synthetase
IFN Typ I Gencluster 9q22
Interferon stimulierte Gene (ISG)
Nucleus
8
Pleiotrope Funktionen von IFN- a
Induktion antiviraler
Mechanismen
Immunmodulation
IL-2
Virus
Th1
DZ
+
IFN-g
IL-10
Tr1
+
TGF-
IL-10
+
IFN-a
-
IL-4
Th2
IL-5
Cytokine: Interferone II
IFN-g (T-Zellen, NK-Zellen)
•
bewirkt eine Aktivierung von Makrophagen
•
steigert die MHC-Expression
•
induziert den Ig-Isotyp-Switch (v.a. zu IgG)
•
hemmt Th2-Zellen
9
NK-Zellen
NK-Zellen leiten die Apoptose in Zielzellen ein
Themenkomplexe
1) Cytokine
•
Gruppeneinteilung
•
Funktionsbeispiele
•
angeborene
•
erworbene Immunantworten
2) Chemokine/Homing
•
Gruppeneinteilung
•
Effektor-Funktionen
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Isotyp-switch
Schwere Kette
JH1-6
Cµ
Cd
Cg 3
Cg1
wCe
Ca1
Cg2
Cg4
Ce
Ca2
IL-4
IL-5
IFN-g
TGF-
= induziert
= steigert Synthese
= hemmt
T-Zell-Defekte
SCID: severe combined immune deficiency (mehrere
mögliche Ursachen)
X-linked SCID: Defekt der IL-2-Rezeptor g-Kette
(gemeinsame g-Kette (g c) von:
• IL-2 (Proliferation und Differenzierung von T-Zellen)
• IL-4 (B-Zell-Aktivierung)
• IL-7 (Proliferation und Reifung von T-Zell-Vorläufern)
• IL-9 (Proliferation von T-Zellen)
• IL-15 (T-Zell-Wachstumsfaktor)
11
SCID
Folge: Keine effektiven Antikörperantworten
„bubble boy“ David Vetter
Zytokine: Beispiele
Zytokin
Produzierende
Zellen
Wirkung
IL-1
Makrophagen,
Epithelzellen
Fieber, T-Zell- und MakrophagenAktivierung
IL-2
T-Zellen
Wachstum von T-Zellen
IL-3
T-Zellen, Mastzellen,
Thymuszellen,
Eosinophile
Hämatopoese, Reifung von B-Zellen und
Monozyten
IL-4
T-Zellen, Mastzellen
B-Zell-Aktivierung, Th2-Aktivierung
(hemmt Th1), Switch zu IgE
IL-5
T-Zellen, Mastzellen
Wachstum und Differenzierung von
Eosinophilen
IL-6
T-Zellen,
Makrophagen,
Epithelzellen
Produktion von Akute-Phase-Proteinen,
Fieber, Wachstum und Differenzierung
von B- und T-Zellen
12
Zytokine: Beispiele II
Zytokin
Produzierende
Zellen
Wirkung
IL-9
T-Zellen
Mastzellaktivierung, stimuliert Th2-Zellen
IL-10
T-Zellen,
Makrophagen
Wirksamer Inhibitor von Makrophagen
und T-Zellen
IL-12
B-Zellen,
Makrophagen
Differenzierung zu Th1, Aktivierung von
NK-Zellen
IL-13
T-Zellen
Wachstum und Differenzierung von BZellen, hemmt Th1 und Makrophagen
TNF-a
Makrophagen, NKZellen, T-Zellen
Lokale Entzündung, Aktivierung des
Endothels
IFN-a,
Leukozyten
Antiviral, Expression von MHC I steigt,
inhibiert Th2
IFN-g
T-Zellen, NK-Zellen
Makrophagenaktivierung, MHC , Switch
zu IgG (1+3), hemmt Th2
Themenkomplexe
1) Zytokine
•
Gruppeneinteilung
•
Funktionsbeispiele
•
angeborene
•
erworbene Immunantworten
2) Chemokine/Homing
•
Gruppeneinteilung
•
Effektor-Funktionen
13
Chemokine: Einteilung
Chemokine sind chemotaktisch aktive Cytokine
Alle Chemokine besitzen ähnliche Aminosäuresequenzen und ihre Rezeptoren sind
sämtlich integrale Membranproteine mit
sieben Membran-durchspannenden Helices.
Einteilung in zwei große Gruppen (anhand
der Cysteine im aminoterminalen Bereich):
C-C – Chemokine
CCR (1-9)
z.B. MCP-1 (spez. Monozyten)
C-X-C – Chemokine
CXCR (1-5)
z.B. IL-8 (spez. Neutrophile)
C – Chemokin (Lymphotactin)
R?
C-XXX-C – Chemokin (Fractalkin)
CX3CR1
Themenkomplexe
1) Zytokine
•
Gruppeneinteilung
•
Funktionsbeispiele
•
angeborene
•
erworbene Immunantworten
2) Chemokine/Homing
•
Gruppeneinteilung
•
Effektor-Funktionen
14
Chemokine: Übersicht
•
Chemokine bewirken die Wanderung von Zellen
entlang des Chemokin-Gradienten, dessen
Konzentration zum Entzündungsherd zunimmt.
•
Chemokine werden als Reaktion auf bakterielle
Produkte oder Viren oder nach Gewebs-Verletzungen
ausgeschüttet.
•
Teilweise können bakterielle Produkte selbst als
Chemokine wirken (fMLP, N-formylierte Peptide)
•
Zellen, die v.a. von Entzündungen angelockt werden,
sind zuerst Neutrophile, später Monozyten
(Makrophagen) und Dendritische Zellen
•
Chemokine steuern auch die Wanderung der
Lymphozyten im Körper
Homing bei Multipler Sclerose
Inflammation
Blut-Hirnschranke
HomingRezeptor
Th17-Zellen
Ronsohoff RM. Nov. 2009
Nature 462:41-42
15
Entlangrollen der Effektorzelle am Epithel
(Rolling)
Sialyl-Lewisx
E-Selektin
Chemokine: Selektine I
Selektine: binden Kohlenhydrat-Strukturen, starten die
Leukozyten-Endothel-Wechselwirkung
Bezeichnung
Zellen
P-Selektin
Aktiviertes
Endothel,
Thrombozyten
E-Selektin
Aktiviertes
Endothel
Ligand
(Leukozyten)
Sialyl-Lewisx,
PSGL-1
Sialyl-Lewisx
Sialyl-Lewisx = sulfatisiertes Oligosaccharid
PSGL-1 = P-Selectin glycoprotein ligand-1
16
Chemokine: Selektine II
Selektine sind z.T. in Epithelzellen vorgebildet (P-Selektin in
Weibel-Palade-Körperchen) und können schnell exprimiert
werden, oder müssen erst gebildet werden (E-Selektin).
Induktoren der Selektine:
• Leukotrien B4 (P)
• Komplementfragment C5a (P)
• Histamin (wird von Mastzellen als Reaktion auf C5a freigesetzt) (P)
• LPS (P+E)
• TNF-a (P+E)
Rollende Adhäsion
LFA-1 (CD11b/CD18)
Feste Bindung
IL-8Rezeptor
E-Selektin
ICAM-1
Diapedese
IL-8
Wanderung entlang des
Konzentrationsgradienten
17
Chemokine: Integrine I
Integrine: binden Zelladhäsionsmoleküle und extrazelluläre
Matrix, feste Bindung
LFA = leucocyte functional antigen
VLA = very late antigen
CR = complement receptor
Rollende Adhäsion
LFA-1 (CD11b/CD18)
Feste Bindung
IL-8Rezeptor
E-Selektin
ICAM-1
Diapedese
IL-8
Wanderung entlang des
Konzentrationsgradienten
18
Chemokine: Integrine II
Zelladhäsionsmoleküle (Immunglobulinfamilie) sind
Liganden für die Integrine
ICAM = intercellular adhesion molecule
VCAM = vascular cell adhesion molecule
PECAM = platelet endothelial cell adhesion molecule
Chemokine: Integrine III
ICAM-1 wird durch TNF-a induziert.
IL-8 erhöht die normalerweise schwache Bindungsfähigkeit
von LFA-1 und CR3 (Mac-1).
19
Rollende Adhäsion
LFA-1 (CD11b/CD18)
Feste Bindung
IL-8Rezeptor
E-Selektin
ICAM-1
Diapedese
IL-8
Wanderung entlang des
Konzentrationsgradienten
Chemokine: Diapedese II
3) Diapedese (Integrine, Immunglobulin-Superfamilie)
Es spielen LFA-1 und Mac-1 (Leukozyten) und PECAM
eine Rolle.
PECAM wird auf Leukozyten, dem Epithel und zwischen
Epithelzellen gebildet. Durch Interaktion drängen sich
die Leukozyten zwischen die Epithelzellen.
Die Basalmembran wird durch proteolytische Enzyme
lokal zerstört.
20
Rollende Adhäsion
LFA-1 (CD11b/CD18)
Feste Bindung
IL-8Rezeptor
E-Selektin
ICAM-1
Diapedese
IL-8
Wanderung entlang des
Konzentrationsgradienten
Chemokine: Migration II
3) Migration (Chemokine, IL-8)
Die Leukozyten wandern entlang der steigenden
Konzentration von IL-8 durch das Gewebe hin zur
Entzündungsstelle.
IL-8 ist v.a. an die extrazelluläre Matrix gebunden.
21
Rollende Adhäsion
LFA-1 (CD11b/CD18)
Feste Bindung
IL-8Rezeptor
E-Selektin
ICAM-1
Diapedese
IL-8
Wanderung entlang des
Konzentrationsgradienten
Chemokine
Chemokin
Gruppe Produzierende Zellen
Wirkung
MIP1-
(CCL-4)
CC
Monozyten, Makrophagen,
Neutrophile, Endothel
MCP-1
(CCL-2)
CC
Monozyten, Makrophagen,
Fibroblasten,
Keratinozyten
Locken TGedächtniszellen an
IL-8
(CXCL8)
CXC
Monozyten, Makrophagen,
Fibroblasten,
Keratinozyten
Locken naive T-Zellen,
Neutrophile und
Basophile an
NAP-2
(CXCL7)
CXC
Blutplättchen
Locken Neutrophile an,
Induktion der
Degranulation
RANTES
(CCL5)
CC
T-Zellen
Locken CD4Gedächtniszellen an
Stroma des Thymus,
einige T-Zellen
Locken T-Zell-Vorläufer
in Richtung Thymus
Lymphotaktin
(XCL1)
C
Locken CD8 T-Zellen an
22